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乙太被動式光學網路上離線排程機制之設計

Speaker: 尹培華Advisor: 吳和庭 教授

日期 :2011/07/27

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Outline

Motivation

乙太被動式光學網路 EPON

Architecture

多點控制協定 MPCP

動態頻寬分配機制 Dynamic Bandwidth Allocation

線上排程 Online Scheduling

IPACT(Interleaved Polling with Adaptive Cycle

Time )

離線排程 Offline Scheduling

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Outline

離線排程 Offline Scheduling

Offline Scheduling DBA Mechanism (Offline-DBA)

Offline Scheduling with Early Allocation Scheme(Early-

DBA)

Enhanced Offline Scheduling Mechanism(Enhanced-DBA)

模擬結果 結論及未來發展 參考文獻 Q&A

附錄

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Motivation

癥結點 如何解決接取式網路和骨幹網路間所存在的傳輸瓶頸，提供

用戶端更便宜、及更大量的頻寬 ?

解決方案 被動式光學網路 PON(Passive Optical network) 具有

傳輸距離長、高頻寬等優點，因此被視為良好的解決方案。

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Motivation

TDM-EPON 具有建置容易的優點，但是 OLT 和 ONU 間存在同步的問題，而且多個 ONU 間共用一個上傳通道來上傳資料，也會有資料碰撞的情形發生。

所以如何設計一個好的動態頻寬配置機制來達到有效的資料傳輸，就成了本篇研究的動機。

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EPON

EPON 的全名為 Ethernet Passive Optical Network

乙太被動式光學網路。

IEEE 成立 802.3EFM 小組來制定與 EPON 相關的協定；

詳細標準可見 802.3ah 。

主要的優勢在於可以與舊有的乙太網路架構相容，大大的降

低了建置成本

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EPON-Architecture

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EPON-Overview

EPON 系統資料上傳的運作模式

9

EPON-Overview

EPON 系統資料下載的運作模式

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MPCP

MPCP 的全名是 Multi Point Control Protocol ，多

點控制協定，讓 OLT 和 ONU 間可以達成點對多點、或多點

對點的有效傳輸。

MPCP 共有有五種控制訊息，負責兩種不同運作模式

Auto-Discovery Mode

Normal Mode

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MPCP-GATE Message Formant

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MPCP-REPORT Message Formant

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線上排程 (Online Scheduling)

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IPACT

Poll and stop mechanism

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IPACT

IPACT(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time)

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Transmission Window

傳送視窗 Transmission Window :

類似分配 time slot 的概念，將 time slot 換算成資料量的大小 (Byte) ， OLT 利用傳送視窗來告訴 ONU 可以傳送的資料量大小 。

Maximum Transmission Window :

是一個 threshold ，用來決定每個 ONU 在一個 cycle

裡最多可以上傳多少資料。

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Transmission Window

Maximum Transmission Window Size

U

MAXMAX R

WGNT

numbers ONU :

rate ansmission Uplink tr:

windowion transmiss Maximum:

timeGuard :

timecycle Maximum:

N

R

W

G

T

U

MAX

MAX

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Transmission Window

決定 Transmission window 大小的方式 Limited Service

的傳送視窗大小

所提出的頻寬要求大小

:

: )(Re][

ii

i

ONUW

ONUiquest

)(Re))((Re

))((Re][

][

iquestWWiquest

WWWiquesti

MAX

MAXi

MAX

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離線排程 (Offline Scheduling)

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Offline Scheduling Mechanism

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Excess Bandwidth Assignment

多餘頻寬分配概念

將 ONU 依頻寬要求量分為兩組 ( 兩個集合 H&L) ，分類基準為保證頻寬值，目的在於讓頻寬要求量大的 ONU 可以獲得更多的頻寬。

8*

*

N

RGNTWB UMAX

MAXMIN

保證頻寬值 : MINB

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Offline Scheduling Mechanism-Flow Chart

)( iMINTOTALEXCESS

TOTALEXCESS RBBB

23

Offline Scheduling Mechanism-Flow Chart

MINiTOTALEXCESSH

ii

iEXCESSi BRWhereB

R

RB

*

igii

EXCESSiMIN RBthenRBBif )(

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系統需求假設

)(2)(1)(0 iPiPiPi RRRR

的頻寬要求量內部

的頻寬要求量內部

的頻寬要求量內部

data P2 :

data P1 :

data P0 :

)(2

)(1

)(0

iiP

iiP

iiP

ONUR

ONUR

ONUR

25

Offline Scheduling Mechanism with Early Allocation Scheme-Flow Chart

)( iMINTOTALEXCESS

TOTALEXCESS RBBB

26

Offline Scheduling Mechanism with Early Allocation Scheme-Flow Chart

MINiTOTALEXCESSH

ii

iEXCESSi BRWhereB

R

RB

*

igii

EXCESSiMIN RBthenRBBif )(

27

Enhanced Offline Scheduling Mechanism-Flow chart

)( iMINTOTALEXCESS

TOTALEXCESS RBBB

28

Enhanced Offline Scheduling Mechanism-Flow chart

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Excess Bandwidth Assignment

多餘頻寬分配概念 / 二次頻寬分配概念

以 ONU 為單位做考量改成以資料類型為單位做考量

可以用做二次頻寬分配的頻寬總量

)( )(1)(0SENT

iP

H

i

SENTiP

H

iMIN

TOTALEXCESSREMAIN RRBBB

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Excess Bandwidth Assignment-Flow Chart

31

Excess Bandwidth Assignment

當頻寬不能滿足同一個資料類型的頻寬要求時，分配時的概念一樣依每個 ONU 內此資料類型所提出的頻寬要求量分為兩組，目的也是為了讓此資料類型頻寬要求量較大的 ONU

可以獲得更多的頻寬，這時的分類基準為為二次分配保證頻寬值。

二次分配保證頻寬值 : SECOND

MINB

n(H)REMAINSECOND

MIN

BB

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系統效能分析

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參數列表ONU number 16

Uplink transmission rate 1Gb/s

Buffer size 8M Byte

Simulation time 10s

RTT time 200us(20KM)

ONU’s maximum input traffic rate(ONU’s offered load)

100Mb/s(0.5~1)

Maximum cycle time 2ms

Guard time 5us

Packet size Uniform(64~1518) bytes

Traffic type_1 20%P0 ， 30%P1 ， 50%P2

Traffic type_2 80%P0 ， 10%P1 ， 10%P2

Packet generate method Poisson distribution

Measurement metrics Delay/ dropping rate/ utilization

Maximum transmission window size

15000 bytes

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Traffic type_1 下之系統效能比較

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P0 Packet Delay

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P1 Packet Delay

ONU’s offered load

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P2 Packet Delay

ONU’s offered load

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P2 Packet Dropping Rate

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通道使用效率

ONU’s offered load

40

Traffic type_1 下改變 guard time之

系統效能比較

41

通道使用效率

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在 Enhanced-DBA 增加條件限制

本篇論文另外還有模擬一個不同 traffic input 的 case ，由於設計機制的關係，在效能分析時未能得到比較好的結果，依據前述效能分析後所得出的原因，設法提出改善的方式為 發現系統 overloaded 之後，更改第一次分配的頻寬保證值， 使二

次分配時還有頻寬可以分配， 也確實在效能分析上有得到比較好的結果。

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延伸 - 將環境改為 Long-Reach PON

將環境更改為 Long-Reach PON 之後，因為傳輸距離拉長，在一個 cycle 內所有 ONU向OLT 提出的資料頻寬需求增加，

導致可以拿來做二次分配的頻寬因此減少，讓效能落差更大。

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Conclusion & Future Work

本篇論文提出的演算法期望在系統負載很高的時候也可以使通道使用率維持在一定的比率，但在經過模擬之後發現還是有其缺失存在，將同一套演算法套用在 Long-Reach PON

上時可以發現落差會更為明顯 未來方向除了可以朝著找出修正設計的方式改進缺失邁進，

也可以針對適用 Long-Reach PON 上的動態頻寬分配機制做更深入的套討。

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參考文獻[1] IEEE Std 802.3ah-2004, “IEEE Standard for Information technology- Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirement-Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications,” September 2004.[2] G. Kramer, B. Mukherjee, and G. Pesavento, “Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT): A Dynamic Bandwidth Distribution Scheme in an Optical Access Network,”Photonic Network Communications, vol. 4, no. 1 pp. 89-107, January 2002.[3] G. Kramer, B. Mukherjee, S. Dixit, Y. Ye, and R. Hirth, “Supporting differentiated classes of service in Ethernet passive optical networks,”OSA Journal of Optical Networking, vol. 1, no. 8/9, pp. 280- 298, August 2002.[4] G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill Professional, ISBN: 0071445625, Publication date: March 2005.

46

參考文獻[5] J. Zheng and H.T. Mouftah, “Media access control for Ethernet

passive optical networks: an overview,”IEEE Communications

Magazine, vol.43, no.2, pp.145-150 , February 2005.[6] C.M. Assi, Yinghua Ye, Sudhir Dixit, and M.A. Ali, “Dynamic

bandwidth allocation for quality-of-service over Ethernet PONs ,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.21, no.9, pp. 1467-1477, November 2003.[7] B.Chen, J.Chen, and S. He, “Efficient and Fine Scheduling

Algorithm for Bandwidth Allocation in Ethernet Passive Optical Networks,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.12, no.4, pp. 653-660, July/August. 2006.[8] H. Song, B-W Kim, and B. Mukherjee, “Long-Reach Optical Access Networks: A Survey of Research Challenges, Demonstrations, and Bandwidth Assignment Mechanisms,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol.12, no. 1, pp. 112–123 , First Quarter 2010.

47

參考文獻[9] B. Skubic, Chen Jiajia, J. Ahmed, Chen Biao, L. Wosinska, and B. Mukherjee,“Dynamic bandwidth allocation for long-reach PON: overcoming performance degradation,” IEEE Communications Magazine, vol.48, no.11, pp.100-108, November 2010.[10] H. Song, B-W. Kim, and B Mukherjee, “Multi-Thread Polling: A Dynamic Bandwidth Distribution Scheme in Long-Reach PON,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 27, no.2, pp.134-142, February 2009.[11] Ching-Hung Chang, N. M. Alvarez, P. Kourtessis, R. M. Lorenzo and J. M. Senior, “Full-Service MAC Protocol for Metro-Reach GPONs,” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 7, pp. 1016- 1022, April 2010. [12] Chun-Hung Chen, Ho-Ting Wu, and Kai-Wei Ke, “Predictive Credit Based Dynamic Bandwidth Allocation Mechanisms in Ethernet Passive Optical Network,” TENCON 2006. 2006 IEEE Region 10 Conference, pp.1-4, 14-17 November 2006.

48

參考文獻

[13] Ching-Hung Chang, P. Kourtessis and J. M. Senior, “GPON service level based dynamic bandwidth assignment protocol,” J. Electron. Lett., vol. 42, pp. 1173–1174, 2006.

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Q&A

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附錄

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Traffic type_2 下之系統效能比較

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P0 Packet Delay

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P1 Packet Delay

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P2 Packet Delay

55

P0 Packet Dropping Rate

56

P1 Packet Dropping Rate

57

P2 Packet Dropping Rate

58

通道使用效率

59

Traffic type_2 下改變 guard time之

系統效能比較

60

P2 Packet Delay

61

通道使用效率

62

在 Enhanced-DBA 增加條件限制

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Traffic type_2 下加上限制條件之系統效能比較

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P0 Packet Delay

65

P1 Packet Delay

66

P2 Packet Delay

67

P0 Packet Dropping Rate

68

P1 Packet Dropping Rate

69

P2 Packet Dropping Rate

70

通道使用效率